CN113295066A - 主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构 - Google Patents

主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，目的是解决传统夹心圆筒防爆结构主动抗爆炸能力不足等问题。本发明由外部圆筒、复合芯体、内部圆筒、底部端盖组成。内部圆筒、复合芯体、外部圆筒由内向外同轴装配成夹心结构，底部端盖焊接在复合芯体下端面。复合芯体由外反应芯层、中纤维芯层、内高聚物芯层组成。外反应芯层为含能材料，中纤维芯层为高强碳纤维或玻璃纤维，内高聚物芯层为弹性高聚物材料。内部圆筒由圆筒壳体和泡沫垫块组成。底部端盖由桶底、圆环、底芯和盖板组成。底芯材料为含能材料。本发明可增强抗爆结构主动抗爆能力和爆炸能量主动疏导能力，提高抗爆结构防护性能，解决了爆炸能量输出方向可控性差的问题。

Description

主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构
技术领域
本发明属于一种抗爆结构，具体涉及一种主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构。
背景技术
无论是在军事领域还是民用领域，爆炸冲击防护都极为重要。抗爆结构在科学研究、国防军事、爆炸加工、公共安全等领域获得了广泛的应用。
夹心结构具有减震和吸收冲击能量的优点，已引起爆炸防护领域的普遍重视，国内外广泛开展了针对泡沫、高聚物等轻质材料夹心结构的研究。传统防爆罐结构主要通过圆筒的侧壁和底部抵御爆炸冲击波和破片的攻击，防护周围装备和人员的安全，同时通过圆筒开口处释放爆炸载荷，实现爆炸能量的疏导。这种防护理论有堵有疏，在人员和设备方向实现了堵的作用，同时将爆炸能量疏导到上方空旷处。传统夹心式抗爆结构在爆炸防护方面发挥重要作用，但是也存在一些不足，主要表现在爆炸载荷过于集中于最近的抗爆呈爆面上，爆炸能量输出方向可控性差。为了疏导爆炸能量走向，将更多爆炸能量人为引导至可控的方向，降低迎爆面载荷，主动式抗爆结构具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前传统夹心圆筒防爆结构主动抵抗爆炸的能力不足、爆炸能量输出方向可控性差等问题，提供一种主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，实现抗爆结构主动抗爆能力和爆炸能量主动疏导能力，降低承爆面载荷，提高抗爆结构的防护性能。
本发明的技术方案是：
本发明主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构整体呈带底圆筒形，由外部圆筒、复合芯体、内部圆筒、底部端盖组成，外部圆筒、复合芯体、内部圆筒组成本发明带底圆筒的侧壁面，底部端盖为带底圆筒的底部。本发明安装底部端盖的一端为封闭端，未安装底部端盖的一端为开口端，内部圆筒的内部为本发明的内部。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<3D。
内部圆筒、复合芯体、外部圆筒由内向外同轴装配，底部端盖焊接在复合芯体下端面，且外部圆筒套在复合芯体和底部端盖外侧面，外部圆筒上端面与复合芯体上端面平齐，外部圆筒下端面与底部端盖的下端面平齐。外部圆筒、复合芯体、内部圆筒组成夹心结构，外部圆筒和内部圆筒是夹心结构的面板，复合芯体是夹心结构的芯体。
外部圆筒为圆筒形，高度等于H，外直径等于D，内直径为d，满足 0.9D<d<0.98D。外部圆筒材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。外部圆筒能够阻止外部稀疏波进入外反应芯层产生的气体产物，降低气体产物能量耗散速度，提高本发明主动反应的能力。
复合芯体为圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.5D<d1<0.8D，高度为h，满足0.8H<h<0.95H。复合芯体由外反应芯层、中纤维芯层、内高聚物芯层组成。内高聚物芯层、中纤维芯层、外反应芯层均为圆筒形，由内向外同轴装配，且上下端面齐平，高度均等于h，厚度分别为t3、t2、t1，满足 0.05D<t1<0.2D，0.05D<t2<0.25D，0.05D<t3<0.25D。外反应芯层材料为含能材料 (如火药、猛炸药)，密度在1.0g/cm3到4.0g/cm3之间，反应释放的能量大于8kJ/g，材料反应阈值应力不高于100MPa。中纤维芯层材料为高强碳纤维或玻璃纤维，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400MPa。内高聚物芯层材料为弹性高聚物材料(如聚脲弹性体)，密度在1.0g/cm3到1.6g/cm3之间，拉伸强度大于30MPa，断裂伸长率大于500％。复合芯体的内高聚物芯层能够有效实现对爆炸冲击波的吸能缓冲，降低冲击波强度，复合芯体的中纤维芯层能够有效实现对高速破片的侵彻防护，很快减小破片速度。复合芯体的外反应芯层受到冲击挤压时，内部的含能材料开始发生反应，产生大量高压气体产物，高压气体产物能够主动降低内高聚物芯层和中纤维芯层的膨胀速度，提高内高聚物芯层和中纤维芯层对爆炸冲击波和破片的防护效率，实现本发明主动反应的效果。
内部圆筒呈带底圆筒形，由圆筒壳体和泡沫垫块组成。泡沫垫块和圆筒壳体由内向外同轴装配，且圆筒壳体和泡沫垫块下端面齐平。圆筒壳体为圆筒形，高度等于h，外直径等于d1，内直径为d0，满足0.8d1<d0<0.98d1。圆筒壳体材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。泡沫垫块为圆柱状，外直径等于d0，高度等于h1。泡沫垫块为金属泡沫，密度在0.3g/cm3到0.6g/cm3之间，平台应力不小于20MPa。当爆炸物从本发明开口端放入后，爆炸物向本发明封闭端运动，在泡沫垫块的支撑下，爆炸物滑到本发明内部几何中心，提高本发明各部件的利用率，增强本发明对爆炸物的防护能力。内部圆筒为金属材料，抗弯曲和拉伸强度较高，抵挡爆炸冲击波峰值超压的作用，同时有效衰减破片速度。
底部端盖为圆饼状，由桶底、圆环、底芯和盖板组成。桶底、圆环和盖板同轴由下向上装配。底芯内嵌于圆环，并焊接在桶底和盖板之间。桶底为圆饼形，外直径等于d，高度为k1，满足0.05H<k1<0.3H。桶底材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。圆环为圆环状，外直径等于d，内直径等于 d0，高度为k2，满足0.05H<k2<0.2H。圆环材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。底芯为圆饼形，直径等于d0，高度等于k2。底芯材料为含能材料，与外反应芯层的材料可以不同，密度在1.0g/cm3到4.0g/cm3之间，反应释放的能量大于8kJ/g，材料反应阈值应力不高于100MPa。盖板为圆饼形，外直径等于d，高度为k3，满足0.01H<k3<0.1H。盖板材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。桶底、圆环和盖板将底芯固定在密闭空间，当爆炸载荷作用于底部端盖时，底芯受到冲击挤压，能够抵御爆炸能量向下传输，引导爆炸能量向本发明开口处运动，提高本发明整体抗爆能力，实现本发明主动反应的效果。
当爆炸物从本发明开口端放入后，爆炸物向本发明封闭端运动，在泡沫垫块的支撑下，爆炸物滑到本发明内部几何中心，提高本发明各部件的利用率，增强本发明对爆炸物的防护能力。爆炸除了会产生爆炸冲击波，可能会伴随着高速破片。本发明实现抗爆防护的过程主要分为四个阶段：
第一阶段，当爆炸物在本发明内部发生爆炸时，内部圆筒承受到爆炸冲击波和破片载荷的作用，内部圆筒为金属材料，抗弯曲和拉伸强度较高，抵挡爆炸冲击波峰值超压的作用，同时有效衰减破片速度。
第二阶段，内部圆筒破裂后，爆炸冲击波和破片载荷与复合芯体作用。复合芯体的内高聚物芯层能够有效实现对爆炸冲击波的吸能缓冲，降低冲击波强度，复合芯体的中纤维芯层能够有效实现对高速破片的侵彻防护，很快减小破片速度。
第三阶段，复合芯体的外反应芯层受到冲击挤压时，含能材料开始发生反应，产生大量高压气体产物，高压气体产物能够主动降低内高聚物芯层和中纤维芯层的膨胀速度，提高内高聚物芯层和中纤维芯层对爆炸冲击波和破片的防护效率，实现本发明主动反应的效果。当爆炸载荷作用于底部端盖时，底芯受到冲击挤压，能够抵御爆炸能量向下传输，引导爆炸能量向本发明开口处运动，提高本发明整体抗爆能力，实现本发明主动反应的效果。
第四阶段，复合芯体的外反应芯层产生大量气体产物后，外部圆筒对复合芯体中外反应芯层产生的气体产物有约束作用，阻止外部稀疏波进入外反应芯层，降低能量耗散速度，提高本发明主动反应的能力。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：
(1)本发明侧壁面为外部圆筒、复合芯体、内部圆筒组成夹心结构，外部圆筒和内部圆筒是夹心结构的面板，复合芯体是夹心结构的芯体。外部圆筒和内部圆筒的材料抗弯曲和拉伸强度较高，可以承受冲击和爆炸载荷导致的拉压载荷。复合芯体考虑不同种类材料的冲击波和破片防护机理的差异，按照防护需求进行设计。复合芯体的内高聚物芯层能够有效实现对爆炸冲击波的吸能缓冲，中纤维芯层能够有效实现对高速破片的侵彻防护，外反应芯层提高内高聚物芯层和中纤维芯层对爆炸冲击波和破片的防护效率，实现了本发明主动抗爆的能力，解决了传统夹心圆筒防爆结构主动抵抗爆炸的能力不足的问题。
(2)本发明底部端盖中的底芯受压后产生向上的抵抗作用，将爆炸能量引导向圆筒开口处，提高对爆炸冲击波和破片的缓冲和吸附效果，实现对爆炸载荷的主动防护和爆炸能量的引导，能够提高芯体材料的冲击波和破片防护效率，实现了本发明爆炸能量主动疏导的能力，降低了承爆面载荷，解决了传统夹心圆筒防爆结构爆炸能量输出方向可控性差的问题。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图；
图2是图1A-A’方向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构整体呈带底圆筒形，由外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3、底部端盖4组成，外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3组成本发明带底圆筒的侧壁面，底部端盖4为带底圆筒的底部。本发明安装底部端盖4的一端为封闭端，未安装底部端盖4的一端为开口端，内部圆筒3的内部为本发明的内部。本发明外直径为D，D根据抗爆需求来定，满足0.1m<D<2m，高度为H，满足D<H<3D。
如图2所示，内部圆筒3、复合芯体2、外部圆筒1由内向外同轴装配，底部端盖4焊接在复合芯体2下端面，且外部圆筒1套在复合芯体2和底部端盖4 外侧面，外部圆筒1上端面与复合芯体2上端面平齐，外部圆筒1下端面与底部端盖4的下端面平齐。外部圆筒1、复合芯体2、内部圆筒3组成夹心结构，外部圆筒1和内部圆筒3是夹心结构的面板，复合芯体2是夹心结构的芯体。
外部圆筒1为圆筒形，高度等于H，外直径等于D，内直径为d，满足 0.9D<d<0.98D。外部圆筒1材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。外部圆筒1能够阻止外部稀疏波进入外反应芯层21产生的气体产物，降低气体产物能量耗散速度，提高本发明主动反应的能力。
复合芯体2为圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，满足0.5D<d1<0.8D，高度为h，满足0.8H<h<0.95H。复合芯体2由外反应芯层21、中纤维芯层22、内高聚物芯层23组成。内高聚物芯层23、中纤维芯层22、外反应芯层21均为圆筒形，由内向外同轴装配，且上下端面齐平，高度均等于h，厚度分别为t3、 t2、t1，满足0.05D<t1<0.2D，0.05D<t2<0.25D，0.05D<t3<0.25D。外反应芯层21 材料为含能材料(如火药、猛炸药)，密度在1.0g/cm3到4.0g/cm3之间，反应释放的能量大于8kJ/g，材料反应阈值应力不高于100MPa。中纤维芯层22材料为高强碳纤维或玻璃纤维，密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于 400MPa。内高聚物芯层23材料为弹性高聚物材料(如聚脲弹性体)，密度在 1.0g/cm3到1.6g/cm3之间，拉伸强度大于30MPa，断裂伸长率大于500％。复合芯体2的内高聚物芯层23能够有效实现对爆炸冲击波的吸能缓冲，降低冲击波强度，复合芯体2的中纤维芯层22能够有效实现对高速破片的侵彻防护，很快减小破片速度。复合芯体2的外反应芯层21受到冲击挤压时，内部的含能材料开始发生反应，产生大量高压气体产物，高压气体产物能够主动降低内高聚物芯层23和中纤维芯层22的膨胀速度，提高内高聚物芯层23和中纤维芯层22 对爆炸冲击波和破片的防护效率，实现本发明主动反应的效果。
内部圆筒3呈带底圆筒形，由圆筒壳体31和泡沫垫块32组成。泡沫垫块 32和圆筒壳体31由内向外同轴装配，且圆筒壳体31和泡沫垫块32下端面齐平。圆筒壳体31为圆筒形，高度等于h，外直径等于d1，内直径为d0，满足 0.8d1<d0<0.98d1。圆筒壳体31材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于 400MPa。泡沫垫块32为圆柱状，外直径等于d0，高度等于h1。泡沫垫块32为金属泡沫，密度在0.3g/cm3到0.6g/cm3之间，平台应力不小于20MPa。当爆炸物从本发明开口端放入后，爆炸物向本发明封闭端运动，在泡沫垫块32的支撑下，爆炸物滑到本发明内部几何中心，提高本发明各部件的利用率，增强本发明对爆炸物的防护能力。内部圆筒3为金属材料，抗弯曲和拉伸强度较高，抵挡爆炸冲击波峰值超压的作用，同时有效衰减破片速度。
底部端盖4为圆饼状，由桶底41、圆环42、底芯43和盖板44组成。桶底 41、圆环42和盖板44同轴由下向上装配。底芯43内嵌于圆环42，并焊接在桶底41和盖板44之间。桶底41为圆饼形，外直径等于d，高度为k1，满足 0.05H<k1<0.3H。桶底41材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。圆环42为圆环状，外直径等于d，内直径等于d0，高度为k2，满足0.05H<k2<0.2H。圆环42材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。底芯43为圆饼形，直径等于d0，高度等于k2。底芯43材料为含能材料，与外反应芯层21的材料可以不同，密度在1.0g/cm3到4.0g/cm3之间，反应释放的能量大于8kJ/g，材料反应阈值应力不高于100MPa。盖板44为圆饼形，外直径等于d，高度为 k3，满足0.01H<k3<0.1H。盖板44材料为金属，密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa。桶底41、圆环42和盖板44将底芯43固定在密闭空间，当爆炸载荷作用于底部端盖4时，底芯43受到冲击挤压，能够抵御爆炸能量向下传输，引导爆炸能量向本发明开口处运动，提高本发明整体抗爆能力，实现本发明主动反应的效果。

Claims (10)

1.一种主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构整体呈带底圆筒形，由外部圆筒(1)、复合芯体(2)、内部圆筒(3)、底部端盖(4)组成，外部圆筒(1)、复合芯体(2)、内部圆筒(3)组成带底圆筒的侧壁面，底部端盖(4)为带底圆筒的底部；定义安装底部端盖(4)的一端为封闭端，未安装底部端盖(4)的一端为开口端；主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构外直径为D，D根据抗爆需求来定，高度为H；
内部圆筒(3)、复合芯体(2)、外部圆筒(1)由内向外同轴装配，底部端盖(4)焊接在复合芯体(2)下端面，且外部圆筒(1)套在复合芯体(2)和底部端盖(4)外侧面，外部圆筒(1)上端面与复合芯体(2)上端面平齐，外部圆筒(1)下端面与底部端盖(4)的下端面平齐；外部圆筒(1)、复合芯体(2)、内部圆筒(3)组成夹心结构，外部圆筒(1)和内部圆筒(3)是夹心结构的面板，复合芯体(2)是夹心结构的芯体；
外部圆筒(1)为圆筒形，高度等于H，外直径等于D，内直径为d；外部圆筒(1)材料为金属；外部圆筒(1)阻止外部稀疏波进入外反应芯层(21)产生的气体产物，降低气体产物能量耗散速度，提高主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构主动反应的能力；
复合芯体(2)为圆筒形，外直径等于d，内直径为d1，高度为h；复合芯体(2)由外反应芯层(21)、中纤维芯层(22)、内高聚物芯层(23)组成；内高聚物芯层(23)、中纤维芯层(22)、外反应芯层(21)均为圆筒形，由内向外同轴装配，且上下端面齐平，高度均等于h；外反应芯层(21)材料为含能材料；中纤维芯层(22)材料为高强碳纤维或玻璃纤维；内高聚物芯层(23)材料为弹性高聚物材料；内高聚物芯层(23)实现对爆炸冲击波的吸能缓冲，降低冲击波强度，中纤维芯层(22)实现对高速破片的侵彻防护，减小破片速度；外反应芯层(21)受到冲击挤压时，内部的含能材料发生反应，产生大量高压气体产物，高压气体产物主动降低内高聚物芯层(23)和中纤维芯层(22)的膨胀速度，提高内高聚物芯层(23)和中纤维芯层(22)对爆炸冲击波和破片的防护效率；
内部圆筒(3)呈带底圆筒形，由圆筒壳体(31)和泡沫垫块(32)组成；泡沫垫块(32)和圆筒壳体(31)由内向外同轴装配，且圆筒壳体(31)和泡沫垫块(32)下端面齐平；圆筒壳体(31)为圆筒形，高度等于h，外直径等于d1，内直径为d0；圆筒壳体(31)材料为金属；泡沫垫块(32)为圆柱状，外直径等于d0，高度等于h1；泡沫垫块(32)为金属泡沫；
底部端盖(4)为圆饼状，由桶底(41)、圆环(42)、底芯(43)和盖板(44)组成；桶底(41)、圆环(42)和盖板(44)同轴由下向上装配；底芯(43)内嵌于圆环(42)，并焊接在桶底(41)和盖板(44)之间；桶底(41)为圆饼形，外直径等于d，高度为k1；桶底(41)材料为金属；圆环(42)为圆环状，外直径等于d，内直径等于d0，高度为k2；圆环(42)材料为金属；底芯(43)为圆饼形，直径等于d0，高度等于k2；底芯(43)材料为含能材料；盖板(44)为圆饼形，外直径等于d，高度为k3；盖板(44)材料为金属；桶底(41)、圆环(42)和盖板(44)将底芯(43)固定在密闭空间，当爆炸载荷作用于底部端盖(4)时，底芯(43)受到冲击挤压，抵御爆炸能量向下传输，引导爆炸能量向开口处运动，提高抗爆能力，实现主动反应的效果。
2.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构外直径D满足0.1m<D<2m，高度H，满足D<H<3D；所述外部圆筒(1)内直径d满足0.9D<d<0.98D。
3.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述复合芯体(2)内直径d1满足0.5D<d1<0.8D，高度h满足0.8H<h<0.95H；内高聚物芯层(23)、中纤维芯层(22)、外反应芯层(21)厚度分别为t3、t2、t1，满足0.05D<t1<0.2D，0.05D<t2<0.25D，0.05D<t3<0.25D。
4.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述圆筒壳体(31)内直径d0满足0.8d1<d0<0.98d1。
5.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述底部端盖(4)的桶底(41)高度k1满足0.05H<k1<0.3H；圆环(42)高度k2满足0.05H<k2<0.2H；盖板(44)的高度k3满足0.01H<k3<0.1H。
6.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述外部圆筒(1)、圆筒壳体(31)、桶底(41)、圆环(42)、盖板(44)所用的金属密度大于7g/cm3，屈服强度大于400MPa；泡沫垫块(32)所用的金属泡沫密度在0.3g/cm3到0.6g/cm3之间，平台应力不小于20MPa。
7.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述外反应芯层(21)和底芯(43)所用的含能材料，密度在1.0g/cm3到4.0g/cm3之间，反应释放的能量大于8kJ/g，材料反应阈值应力不高于100MPa。
8.如权利要求7所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述含能材料指火药、猛炸药。
9.如权利要求1所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述中纤维芯层(22)所用的高强碳纤维或玻璃纤维密度在1.0g/cm3到3.0g/cm3之间，抗拉强度大于400MPa；内高聚物芯层(23)所用的弹性高聚物材料密度在1.0g/cm3到1.6g/cm3之间，拉伸强度大于30MPa，断裂伸长率大于500％。
10.如权利要求9所述的主动反应式含能材料夹心圆筒抗爆结构，其特征在于所述弹性高聚物材料指聚脲弹性体。
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